Η αναδιαμόρφωση του εγκεφάλου για την ανάπτυξη της διόφθαλμης όρασης

Η εξέλιξη της οπτικής αντίληψης

Οι επιστήμονες γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι το οπτικό σύστημα του εγκεφάλου δεν είναι πλήρως διαμορφωμένο από την αρχή της ζωής. Αντίθετα, εξελίσσεται και βελτιώνεται ανάλογα με τα ερεθίσματα που λαμβάνουν τα μωρά. Ωστόσο, οι ερευνητές του MIT δεν ήταν προετοιμασμένοι για το επίπεδο αναδιαμόρφωσης που παρατήρησαν όταν εξέτασαν για πρώτη φορά τη διαδικασία αυτή σε ποντίκια σε πραγματικό χρόνο.

Η μελέτη της αναδιαμόρφωσης

Στο Ινστιτούτο Picower για τη Μάθηση και τη Μνήμη, οι ερευνητές παρακολούθησαν εκατοντάδες “σπονδύλους” που φιλοξενούν συνάψεις στα δενδρίτες των νευρώνων στον οπτικό φλοιό. Κατά τη διάρκεια δέκα ημερών, παρατήρησαν ότι μόνο το 40% των συνάψεων που ξεκίνησαν τη διαδικασία επιβίωσαν. Η βελτίωση της διόφθαλμης όρασης, δηλαδή η ενσωμάτωση των ερεθισμάτων και από τα δύο μάτια, απαιτούσε πολλαπλές προσθήκες και αφαιρέσεις σπονδύλων για να καθιερωθεί ένα τελικό σύνολο συνδέσεων.

Ηγεσία στη μελέτη

Η πρώην φοιτήτρια Katya Tsimring ηγήθηκε της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στο Nature Communications. Η ομάδα της υποστηρίζει ότι είναι η πρώτη μελέτη όπου οι επιστήμονες παρακολούθησαν τις ίδιες συνδέσεις καθ’ όλη τη διάρκεια της “κρίσιμης περιόδου”, όταν η διόφθαλμη όραση γίνεται πιο εκλεπτυσμένη.

Αλλαγές και προσαρμογές

Στα πειράματα, νεαρά ποντίκια παρακολουθούσαν ασπρόμαυρες γραμμές με συγκεκριμένους προσανατολισμούς και κατευθύνσεις να κινούνται στο πεδίο όρασής τους. Οι επιστήμονες παρακολουθούσαν τη δομή και τη δραστηριότητα του κύριου σώματος των νευρώνων και των σπονδύλων κατά μήκος των δενδριτών. Καταγράφοντας τη δομή 793 δενδριτικών σπονδύλων σε 14 νευρώνες στις ημέρες 1, 5 και 10 της κρίσιμης περιόδου, μπορούσαν να ποσοτικοποιήσουν τις προσθήκες και τις απώλειες των σπονδύλων, και συνεπώς των συνάψεων που φιλοξενούσαν.

Η σημασία της δραστηριότητας

Διαπιστώθηκε ότι οι σπόνδυλοι ήταν πιο πιθανό να επιβιώσουν αν ήταν πιο ενεργοί και αν ανταποκρίνονταν στον ίδιο προσανατολισμό που προτιμούσε το σώμα του νευρώνα. Σημαντικά, οι σπόνδυλοι που ανταποκρίνονταν και στα δύο μάτια ήταν πιο ενεργοί από αυτούς που ανταποκρίνονταν μόνο σε ένα μάτι, γεγονός που σημαίνει ότι οι διόφθαλμοι σπόνδυλοι είχαν μεγαλύτερες πιθανότητες επιβίωσης.

Η θεωρία “χρησιμοποίησέ το ή χάσε το”

Αυτή η παρατήρηση παρέχει πειστικά στοιχεία για την υπόθεση “χρησιμοποίησέ το ή χάσε το”, δηλώνει η Tsimring. Όσο πιο ενεργός ήταν ένας σπόνδυλος, τόσο πιο πιθανό ήταν να διατηρηθεί κατά την ανάπτυξη. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι κατά τη διάρκεια των δέκα ημερών, σχηματίστηκαν ομάδες κατά μήκος των δενδριτών όπου οι γειτονικοί σπόνδυλοι ήταν πιο πιθανό να είναι ενεργοί ταυτόχρονα.

Κατανοώντας τους μηχανισμούς

Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι νευρώνες φαινομενικά βελτιώνουν το ρόλο τους στη διόφθαλμη όραση επιλέγοντας να διατηρήσουν εισροές που ενίσχυαν τις αναδυόμενες προτιμήσεις τους για προσανατολισμό. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της έντασης της δραστηριότητας (μια ιδιότητα γνωστή ως “πλαστικότητα Hebbian”) και της συσχέτισης με τους γείτονές τους (μια ιδιότητα γνωστή ως “ετεροσυναπτική πλαστικότητα”).

Συμπεράσματα και μελλοντικές προοπτικές

Για να επιβεβαιώσουν ότι αυτοί οι κανόνες ήταν αρκετοί για να παραχθούν τα αποτελέσματα που παρατηρούσαν, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υπολογιστικό μοντέλο ενός νευρώνα. Το μοντέλο αναπαρήγαγε τις ίδιες τάσεις με αυτές που παρατήρησαν στα ποντίκια, αποδεικνύοντας ότι και οι δύο μηχανισμοί είναι απαραίτητοι κατά την κρίσιμη περίοδο για την αναδιαμόρφωση των σπονδύλων.

Εκτός από την Tsimring και τον Sur, οι άλλοι συγγραφείς του άρθρου είναι οι Kyle Jenks, Claudia Cusseddu, Greggory Heller, Jacque Pak Kan Ip, και Julijana Gjorgjieva. Η χρηματοδότηση της έρευνας προήλθε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Ινστιτούτο Picower για τη Μάθηση και τη Μνήμη, και το Freedom Together Foundation.